基于PLC的直進(jìn)式拉絲機(jī)變頻改造控制系統(tǒng)的研究

張智永

【摘 要】調(diào)諧輥式拉絲機(jī)是近代拉絲設(shè)備中較先進(jìn)的一種，本文介紹了由人機(jī)界面、S7-400 PLC、變頻器構(gòu)成的拉絲機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用輔助給定限幅跟隨實(shí)際需要限幅值同步變化的限幅方式克服了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與自適應(yīng)性相互矛盾的問題。上位機(jī)與PLC及變頻器之間采用PROFIBUS網(wǎng)通訊方式，減少了接線增加了控制的靈活性。實(shí)踐證明，運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)舊拉絲機(jī)升級(jí)改造，操作更方便，提高了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制水平和設(shè)備操作運(yùn)行的可靠性。

【關(guān)鍵詞】調(diào)諧輥式拉絲機(jī)；S7-400PLC；變頻器；PROFIBUS

0 引言

調(diào)諧輥式拉絲機(jī)鋼絲從第一個(gè)?？状┻^后，經(jīng)過調(diào)諧輥、導(dǎo)輪、進(jìn)入第二個(gè)?？住Ｒ来沃貜?fù)最后到達(dá)收線結(jié)構(gòu)。其具有自動(dòng)調(diào)節(jié)各卷筒轉(zhuǎn)速以適應(yīng)各道次拉絲模在拉拔中不均勻磨損的特點(diǎn)。當(dāng)相鄰兩道次的拉絲模磨損不均勻后，相鄰兩卷筒的鋼絲變得松弛或更加張緊，致使恒力作用下的調(diào)諧輥位置發(fā)生變化，位移傳感器將調(diào)諧輥位置的變化轉(zhuǎn)換成變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)頻率的變化，從而調(diào)整變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，使相鄰卷筒達(dá)到自動(dòng)調(diào)協(xié)轉(zhuǎn)速的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，八個(gè)卷筒將鋼絲逐級(jí)拉伸拉細(xì)，每個(gè)卷筒均由一臺(tái)電機(jī)牽引，每臺(tái)電機(jī)又由各自變頻器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)?？刂撇糠钟晌鏖T子公司的觸摸屏TP170A、S4-300 PLC，以及國(guó)產(chǎn)變頻器、傳感器等組成。采用高性能的S7-400 PLC控制器，使系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)處理能力和較大的程序存儲(chǔ)能力，滿足系統(tǒng)復(fù)雜的控制要求。通過人機(jī)接口設(shè)置工藝參數(shù)及控制指令使系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行成為可能。高性能國(guó)產(chǎn)MD320變頻器，具有輸出力矩大、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)特性卓越的特點(diǎn)，即節(jié)約了成本，又滿足系統(tǒng)的需求。人機(jī)界面與基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)PLC之間采用PROFIBUS網(wǎng)連接，基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)PLC與變頻器采用PROFIBUS網(wǎng)或模擬量與數(shù)字量連接，減少了接線增加控制的靈活性。傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)調(diào)諧輥的位置，通過過程PID控制，調(diào)整變頻器的輸出頻率，使相鄰卷筒轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)協(xié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的同步控制

直進(jìn)式拉絲機(jī)各個(gè)電機(jī)需全程同步，并且對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性要求較高。系統(tǒng)以高性能S7-400 PLC為控制核心，PLC從觸摸屏“工藝設(shè)置”子畫面中讀取拉絲工藝信息，根據(jù)拉絲機(jī)各道次金屬秒流量相等的原則自動(dòng)計(jì)算出各級(jí)的主速度，適時(shí)傳送至變頻器來(lái)完成電機(jī)的同步。

2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

選用友好的嵌入式觸摸屏作為人機(jī)界面。畫面的結(jié)構(gòu)以啟動(dòng)畫面為中心，啟動(dòng)畫面由若干個(gè)子畫面組成。子畫面包括“工藝設(shè)置”、“選罐”、“線速度顯示”、“盤重計(jì)算”等，由啟動(dòng)畫面以彈出窗口的方式調(diào)用。拉絲工藝的設(shè)置、選罐的操作、線速度的顯示等功能均在子畫面中實(shí)現(xiàn)。為了保護(hù)觸摸屏，啟動(dòng)、停止、升、降速這些頻繁操作以按鈕的形式實(shí)現(xiàn)。

2.3 調(diào)諧輥過程PID控制

調(diào)諧輥連接傳感器檢測(cè)鋼絲的位置，將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為0—10V的電壓信號(hào)，作為調(diào)諧輥過程PID的反饋輸入；一般設(shè)定調(diào)諧輥機(jī)械行程的中間位置為調(diào)諧輥過程PID的目標(biāo)量。目標(biāo)量和反饋量的誤差經(jīng)過PID運(yùn)算以及限幅后作為變頻器的輔助給定，調(diào)整變頻器的輸出頻率，使相鄰卷筒轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)協(xié)。其控制框圖如圖2所示。輔助給定的限幅一般比較小，其限幅值通常是以最高頻率為基準(zhǔn)并且固定不變的，假定最高頻率為50Hz，幅度為6%合適，則輔助給定的范圍為±3Hz，輔助給定限幅值與運(yùn)行頻率及最高頻率的關(guān)系見下表1。

從增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性這個(gè)方面來(lái)考慮，輔助給定的限幅值越小越好，但輔助給定限幅值的減少會(huì)削弱系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，過度的減少輔助給定限幅值會(huì)導(dǎo)致拉絲機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)因輔助給定補(bǔ)償值不夠而松線或斷線；從增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力這個(gè)方面來(lái)考慮，輔助給定的參與量大一些好，但輔助給定參與量的增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)低速及啟動(dòng)階段運(yùn)行的穩(wěn)定性降低。本系統(tǒng)采用的是輔助給定的限幅值相對(duì)于主給定的限幅方式，限幅比例為35%，當(dāng)主給定為50Hz時(shí)輔助給定限幅值為±17.5Hz；主給定為3Hz時(shí)輔助給定限幅值為±1.05Hz，小于±3Hz運(yùn)行平穩(wěn)。

2.4 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線通訊

PROFIBUS是一種開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上許多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口。其中PROFIBUS-DP 為經(jīng)過優(yōu)化的高速廉價(jià)的通信鏈，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用的是PROFIBUS-DP通訊。

西門子S7-400 PLC選用313C-2DP CPU，含有兩個(gè)PROFIBUS通信口，首先使用STEP7V5.3編程軟件對(duì)PLC進(jìn)行硬件組態(tài)（觸摸屏無(wú)需硬件組態(tài)），增加一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，PLC為主站、變頻器為從站，設(shè)置PROFIBUS站的地址和傳輸速率并下載到PLC中，實(shí)現(xiàn)PLC 與觸摸屏、變頻器的數(shù)據(jù)交換。

2.5 變頻器控制

變頻器的控制方式為無(wú)速度傳感器矢量控制，矢量控制的優(yōu)良控制性能，需要準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)，準(zhǔn)確的參數(shù)辨識(shí)來(lái)源于電機(jī)額定參數(shù)的正確設(shè)置。為保證變頻器的動(dòng)態(tài)控制性能，需選擇旋轉(zhuǎn)調(diào)諧（電機(jī)自動(dòng)調(diào)諧），旋轉(zhuǎn)調(diào)諧時(shí)電機(jī)必須和負(fù)載脫開（空載）。通過設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分，可以調(diào)節(jié)矢量控制的速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。增加比例增益，減小積分時(shí)間，均可加快速度環(huán)的動(dòng)態(tài)特性。比例增益過大或積分時(shí)間過小均可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。

3 結(jié)論

變頻調(diào)速系統(tǒng)存在大量的電磁噪聲，它對(duì)系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生干擾，可以通過增加濾波器、電抗器以及采用屏蔽電纜線和良好的接地等措施來(lái)解決。

拉絲機(jī)控制系統(tǒng)以西門子S7-400 PLC為控制核心，采用變頻器速度環(huán)不同的PI參數(shù)線性切換功能，并使速度輔助調(diào)節(jié)的限幅值隨主給定同比例變化，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性的要求，拉絲機(jī)自安裝并改進(jìn)后運(yùn)行至今，穩(wěn)定可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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[責(zé)任編輯：湯靜]